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1、第7章 油气开采工程,油气开采工程是油气资源开发过程中根据开发目标，通过产油气井和注入井对油气藏采取的各项工程技术措施的总称。研究领域：可经济有效地作用于油气藏，以提高油气井产量和油气采收率的各项工程技术措施的理论、工程设计方法及实施技术。,第7章 油气开采工程,油气开采工程的任务是通过一系列可作用于油藏的工程技术措施，使油、气由储层畅流进入井筒，并高效率地将其举升到地面进行分离和计量。目标：经济有效地提高油气井产量和油气采收率。,世界油气开采技术的发展,古代：自流井气田开发（四川富顺县）非正式开采阶段：东晋，凿盐井的过程中发现浅层气。正式开采利用浅层气阶段：16世纪中叶，成为世界上第一个开发
2、的气田。1765年井深超过530米；1815年井深已达797.8米。正式开采利用深层气阶段：1835年，兴海井井深达到1001.4米（含硫化氢）。1840年前后，磨子井井深超过1200米，有“火井王”的称号。,20世纪3040年代：进入现代油气开采技术的发展期。从依靠天然能量、着眼于单井生产，到从油田整体出发、合理布署井网，注水注气保持油藏压力；人工举升方法的改进和设备的配套以及酸化压裂、防砂等油气井增产增注措施应用。20世纪6070年代：第二次石油科技革命二次采油发展到强化注水，油田采油速度成倍增长；三次采油方法由室内转入现场试验，其中热力法工业化推广。,世界油气开采技术的发展,20世纪80
3、年代后第三次石油科技革命由提高单井产量发展到集成化油藏经营；由单学科孤军奋战发展为多学科协同研究；由单项技术应用发展为集成技术解决问题；由延时监测与解决向实时监测和解决方向发展；化学驱在中国取得突破。,世界油气开采技术的发展,7.1 采油方法与工艺,采油方法：指把流到井底的原油采到地面所用的方法。,机械采油,自喷采油,深井泵采油,气举采油,有杆泵,地面驱动螺杆泵,游梁式抽油机-深井泵,大约有80%以上的油井采用该举升方式。,采油方法,自喷采油：原油从井底举升到井口，从井口流到集油站，全部都是依靠油层自身的能量来完成的。能量来源：井底油流所具有的压力（来源于油层压力）；随原油一起进入井底的溶解气
4、所具有的弹性膨胀能量。,7.1.1 自喷采油,自喷采油的井口设备（1）套管头（2）油管头（3）采油树,地下渗流,井筒多相管流,嘴流,地面水平管流,自喷井生产基本流动过程,地层压力,回压,分离器设定压力,井底流动压力简称“流压”,套压,井口压力简称“油压”,油气分离器,油嘴出口,井口,井底,油层,油井自喷生产的四个基本流动过程,与流动过程相关的六个压力,地层压力Pe：是整个系统流动的动力源；井底流动压力Pwf：简称“流压”，是地层油流到井底后的剩余压力，同时也是流体向上流动的动力；井口压力Pt：简称“油压”，是油气混合物经油管流至井口的剩余压力，也是油气克服油嘴节流损失和地面出流管线流动阻力的动
5、力；回压Pb：是油气经油嘴节流损耗后的剩余压力，是油气经地面出油管线流至分离器的动力；分离器设定压力Ps：分离器是进行油、气、水分离的装置，其压力可在地面进行调节；套压Pc：是井口油管和套管环空处的流体压力。,油井自喷生产的四种流动过程,总压力损耗的1040,总压力损耗的4060,总压力损耗的520,总压力损耗的510,油井自喷生产的四个基本流动过程,油气从油藏流入井底和在井筒中的流动是油气开采的两个基本流动过程。油井流入动态和井筒多相流动规律是油井各种举升方式设计和生产动态分析的共同理论基础。油井自喷条件：地层中的油气经四个流动过程后，到达分离器的压力大于0，油井便能自喷生产。,油气从油层到
6、井底的地下渗流,油井流入动态：油井产量与井底流动压力的关系。油井流入动态曲线（IPR曲线）：表示产量与井底流压关系的曲线，简称IPR曲线。,遵循渗流规律,单井，IPR曲线表示了油层工作特性。,油气从油层到井底的地下渗流,典型的流入动态曲线IPR曲线的基本形状与油藏驱动类型有关。C井：溶解气驱，地层压力低于原油泡点压力，油藏中流体的渗流为气液两相流动。,遵循渗流规律,油气从油层到井底的地下渗流,典型的流入动态曲线A井：水压驱动，井底流压大于原油泡点压力，油藏中流体的渗流为单相流动，油层物性及流体性质基本不随压力变化，油井产量与流压的关系是线性的。采油指数：单位生产压差下的油井产油(液)量。,油气
7、从油层到井底的地下渗流,采油指数：单位生产压差下的油井产油(液)量。圆形封闭油藏，拟稳态条件下的油井产量公式：,采油指数反映了油层性质、流体参数、完井条件及泄油面积等与产量之间的关系。可用采油指数来评价和分析油井的生产能力。,气液混合物在垂直管中的流动规律,雾流环状流段塞流泡流纯液流,当油井停喷以后，为了使油井能够继续出油，利用高压压缩机，人为地把天然气压入井下，使原油喷出地面，这种方法叫做气举采油。气举采油是基于U形管原理。从油管与套管的环形空间，通过装在油管上的气举阀，将天然气连续不断地注入油管内，使油管内的液体与注入的高压天然气混合，降低液柱的密度，减少液柱对井底的回压，从而使油层与井底
8、之间形成足够的生产压差，油层内的原油不断地流入井底，并被举升到地面。,7.1.2 气举采油,气举采油井下管柱示意图,从井下一定深度开始，每隔一定距离在油管柱上安装一个气举阀，一直安装到接近井底。,气举采油的必备条件：有单独的气层作为气源，或可靠的天然气供气管网供气。油田开发初期，要建设高压压缩机站和高压供气管线，一次性投资大。采用气举采油的油田有：惠州21-1油田、中原油田等，都有独立的气田或气层作为气源供气。,7.1.2 气举采油,基本组成：地面抽油机、井下抽油杆、抽油泵,7.1.3 抽油机有杆泵采油,游梁式抽油机-深井泵抽油装置,抽油机的组成游梁-连杆-曲柄机构减速箱动力设备辅助设备抽油机
9、工作原理工作时，动力机将高速旋转运动通过皮带和减速箱传给曲柄轴，带动曲柄作低速旋转。曲柄通过连杆经横梁带动游梁作上下摆动。挂在驴头上的悬绳器便带动抽油杆柱作往复运动。,游梁式抽油机,图123 游梁式抽油装置示意图 1一吸入阀；2一泵筒；3一活塞；4排出阀；5一抽油杆；6油管；7一套管；8三通；9一盘根盒；10驴头；11一游梁；12一连杆；13一曲柄；14一减速箱；15一电动机,由地面抽油机上的电动机，经过传动皮带，将高速旋转运动传递给减速箱减速后，再由曲柄连杆机构，将旋转运动改变为游梁的上下运动，悬挂在驴头上的旋绳器连接抽油杆，并通过抽油杆带动井下抽油泵的柱塞作上下往复运动，从而把原油抽汲至地
10、面。,深井泵的主要组成工作筒（外筒和衬套）柱塞及游动凡尔（排出凡尔）固定凡尔（吸入凡尔）,深井泵,深井泵的工作原理,上冲程柱塞向上运动泵内压力降低固定凡尔打开、游动凡尔关闭泵筒内吸入液体、井口排出液体,深井泵的工作原理,下冲程柱塞向下运动泵内压力升高固定凡尔关闭、游动凡尔打开泵筒内排出液体、井口停止排液,LCJ1250型链条抽油机：国内首创的长冲程无游梁抽油设备。1980年获国家发明二等奖。,顾心怿院士发明,长冲程、低冲次、悬点匀速运动、负荷能力大、平衡效果好等特点；适合大多数油井，尤其适合于抽稠油和深抽。,胜利油田井距为3的河50大型丛式井组全部使用了链条机。,有杆泵采油是当前国内外最广泛应
11、用的采油方法，国内有杆泵采油约占人工举升采油总井数的90左右。它设备简单，投资少，管理方便，适应性强。在设备制造方面，从地面抽油机、井下抽油杆到抽油泵，国内产品早已系列化、成套化，能够满足油田生产需要。抽油泵的不足之处是排量不够大，对于日产量达到200吨以上的油井，不能满足要求。,7.1 采油方法与工艺,特点：排量大，扬程范围广，生产压差大，井下工作寿命长，地面工艺设备简单。组成：三部分组装方法：多级离心泵在上部，油气分离器、保护器在中间，潜油电机在下部。,7.1.4 潜油电动离心泵采油（电潜泵采油）,电泵装置示意图 l-变压器；2-控制屏；3-接线盒；4-井口；5-动力电缆；6-测压阀；7-
12、单流阀；8-小扁电缆；9-多级离心泵；l0-油气分离器；11-保护器；12-电机；13-测试装置22,潜油电动离心泵是由地面电源、通过变压器、控制屏和电缆，将电能输送给井下潜油电机，使潜油电机带动多级离心泵旋转，把原油举升到地面上来。,工作范围和条件 要求油井产液量较高（200m3/d）：水驱油藏高含水大排量开采阶段 要求泵不能下得太深（1500m左右）：目前可达2500m。要求原油粘度不能太高（小于10mPa-s）,7.1.4 潜油电动离心泵采油（电潜泵采油）,油藏开发的三个阶段,一次采油,二次采油,三次采油,利用天然能量进行开采；原油采收率8%15%。,利用人工补充地层能量开采；原油采收率
13、25%45%。,向地层中注入流体、能量，将引起物理化学变化的方法。原油采收率45%70%,7.2 提高采收率技术,7.2.1 提高采收率的方法：P108、P198IOR技术：改善采油EOR技术：强化采油7.2.2 注水技术：P1767.2.3 酸化、压裂技术,7.2 提高采收率技术,IOR技术(Improvement Oil Recovery)：改善采油。EOR技术(Enhanced Oil Recovery)：强化采油。共同目标：经济有效地开发剩余油以提高采收率。属于不同的技术范畴：对象不同，技术思路不同，技术实施时机和方法也不同。,7.2.1 提高采收率的方法,（1）IOR技术 工作对象：
14、相对富集的大尺度的未被驱替介质波及到的剩余油，主要用于改善二次采油，特别是提高多层非均质油藏的注水波及效率。主要技术：调整井和加密井技术；改善水动力条件的技术（周期注水、间歇注水、水气交替注入等）；调剖技术；水平井以及复杂结构井技术以及老井侧钻技术。IOR技术成熟度高，操作成本低。对于进入高含水期的多层非均质油藏，有巨大的应用潜力。,7.2.1 提高采收率的方法,（2）EOR技术工作对象：被注入水波及地区以薄膜、油滴、油片、角滞油等形式仍然残留于地下的高度分散的小尺度的剩余油以及难以采用注水开发的油藏。主要技术：热采技术、注气技术、化学驱技术和微生物技术等。驱油机理与水驱有所不同。,7.2.1
15、 提高采收率的方法,（1）注水目的向油层注水补充能量，保持油层压力，是当前提高采油速度和采收率一项应用最广的措施。注水可以延长油井自喷期和油田稳产期。,7.2.2 注水采油技术,第1阶段：建设投产、产量上升，不含水至低含水（25）阶段；第2阶段：油田稳产，中含水（2575）阶段；第3阶段：产量递减，高含水（7590）阶段；第4阶段：低速开采，特高含水（90）阶段。,注水采油可划分为四个阶段,砂岩油田注水开采平均采收率大约在 33左右。产量递减和低速开采阶段的采收率为16.2左右，约一半的可采储量是在高含水和特高含水阶段采出的。,（2）水源选择及水质要求水源：淡水水源；咸水水源地面水源淡水来自河
16、床等冲积层的水源淡水地下水层水源淡水或咸水 海水咸水 地层产出水的回注咸水,7.2.2 注水采油技术,陆上油田：多数采用地面水，其次是地下水。海上油田：地下水源丰富的地区，专门钻水源井以供注水之用。在地下水源缺乏的地方，采用海水注水。水源水量：一般以设计注水量为依据，如果将采出的地层水大部分回注的话，最终所需要的新水源量，大致为注水油层孔隙体积的150170。,水源的选择,（2）水源选择及水质要求水质标准要求注水水质要根据油层的特点，以不堵塞油层，不产生化学沉淀，不腐蚀设备和管线为目的。基本水质要求：机械杂质、铁、细菌、氧、硫化物、pH值等要小于规定值。,7.2.2 注水采油技术,注水引起的伤
17、害主要有：堵塞、腐蚀、结垢,（3）注入水处理技术常规水处理技术沉淀过滤 化学药剂杀菌 脱氧 曝晒,7.2.2 注水采油技术,含油污水处理技术主要目的是除去油及悬浮物；工艺过程：沉降、撇油、絮凝、浮选、过滤、加抑垢、防腐、杀菌及其它化学药剂等。,（4）注水地面系统：指从水源至注水井的全套设备和流程。包括：水源泵站 水处理站 注水站 配水间 注水井（5）注水井投注程序指注水井从完钻到正常注水所需进行的工作。包括：排液、洗井、试注、转注等。,7.2.2 注水采油技术,（6）注水工艺过程水由来水管线经过储罐吸入到高压泵中，水经过升压之后进入分水器，然后通过输水管线，输送到各个配水间，由配水间将高压水分
18、配到各个注水井，注入到油层中去。在高压泵的出口、输水管线、配水间和注水井口都装有压力表，以便及时掌握和调整泵压及输水管线压力。,7.2.2 注水采油技术,7.2.2 注水采油技术,（7）分层注水技术：,（7）分层注水技术大庆油田的石油工作者，创造出一整套分层注水、油水井配产配注、以及注水井调整吸水剖面等工艺技术措施，极大地改善了注水油田开采的状况。,7.2.2 注水采油技术,为了调整注水井的吸水剖面，提高注水井的波及系数，改善水驱效果，向地层中的高渗透层注入堵剂，堵剂凝固或膨胀后，降低高渗层的渗透率，迫使注入水增加对低含水部位的驱油作用，这种工艺措施称为注水井调剖。注水井调剖封堵高渗透层的方法
19、：单液法：石灰乳；硅胶；水包稠油等。双液法：沉淀型堵剂；凝胶型堵剂；冻胶型堵剂。,注水井调剖技术,7.2.2 注水采油技术,（8）分层配水管柱组成：井下油管、封隔器、配水器工作原理：利用封隔器在油管与套管之间的环形空间，将整个注水井段封隔成几个互不连通的层段，每个层段中都装有配水器，注入水通过每个层段配水器上的水嘴，分别注入到各层段的油层中去。,主要作用高渗透层：利用配水器上水嘴的节流作用，降低高渗层的注水压力，达到了控制高渗层吸水量的目的。中低渗透层：可以根据各层段计划注水量所选定的水嘴，合理地进行配注，必要还可以提高注入压力，以提高中低渗透层的吸水量。类型：固定式配水器、活动式配水器、偏心
20、式配水器和自动调节偏心配水器等。,配水器的作用及类型,7.2.3 酸化、压裂技术,油层酸化工艺技术水力压裂技术其他措施,油层酸化工艺技术,（1）酸化：利用地面高压泵把酸液通过井筒挤入油层，酸液与油层的孔隙发生化学溶蚀作用，扩大油流的通道，提高油层的渗透率；或者依靠酸液溶解井壁附近的堵塞物，如泥浆、泥饼及其它沉淀物质，以提高油井的产量。,油层酸化工艺技术,（1）酸化分类：根据酸化工艺不同分类常规酸化：在低于岩石破裂压力下将酸液注入地层，主要依靠酸液的化学溶蚀作用，清除堵塞，扩大和延伸裂缝、缝洞。多在砂岩地层中使用。压裂酸化（简称酸压）：在高于岩石破裂压力下将酸液注入地层，酸液可同时对裂缝起化学溶
21、蚀作用和水力压裂作用，从而沟通孔隙、缝洞。多在碳酸盐地层中使用。,酸化压裂形成裂缝示意图,（2）砂岩油气层的酸化砂岩的颗粒主要是石英、长石，砂岩的胶结物多为粘土和碳酸盐类。砂岩酸化是通过溶解砂粒之间的胶结物和部分砂粒，以提高近井地带的渗透率，或者是清除井筒附近油层堵塞，以恢复油层的天然渗透性能。砂岩酸化多用土酸（盐酸氢氟酸）氢氟酸（HF）几乎对砂岩的一切成分，如石英、粘土、碳酸盐等都具有溶蚀作用。,油层酸化工艺技术,砂岩油层酸化示意图,油层酸化工艺技术,（3）碳酸盐岩地层的酸化碳酸盐岩地层主要成分：方解石和白云石；酸化用酸液：盐酸；酸化增产增注原理：生成水溶性盐类，并放出二氧化碳气体。清除了井
22、筒附近的堵塞，沟通扩大了地层原有的孔道、裂缝，提高了渗透率。,石灰岩：2HCl+CaCO3CaCl2+H2O+CO2白云岩：4HCl+MgCa(CO3)2CaCl2+MgCl2+2H2O+2CO2,石灰岩,白云岩,油层酸化工艺技术,（4）碳酸盐岩地层的酸压酸压增产增注原理：酸压时以足够大的压力将酸液挤入地层，将地层压开或打开已有的天然裂缝。由于地层的非均质性以及裂缝壁面的不平整性，当酸液沿裂缝流动时，对裂缝壁面形成了不均匀的溶蚀，产生许多酸蚀沟槽。当裂缝闭合时这些酸蚀沟槽仍然保留下来，成为油气流通道。酸压工艺过程：,先挤注高粘前置液,再挤注酸液和顶替液,酸化压裂形成裂缝示意图,水力压裂技术,（
23、1）水力压裂原理利用地面高压泵组，将高粘液体以大大超过地层吸收能力的排量注入井中，在井底憋起高压；当此压力大于井壁附近的地应力和地层岩石抗张强度时，在井底附近地层产生裂缝；继续注入带有支撑剂的携砂液，裂缝向前延伸并填以支撑剂，关井后裂缝闭合在支撑剂上，从而在井底附近地层内形成具有一定几何尺寸和导流能力的填砂裂缝，使井达到增产增注目的工艺措施。,水力压裂技术,（2）水力压裂工艺过程,将高粘流体以大大超过油层吸收能力的排量泵入井中,井底憋压,当井底压力大于地层破裂压力时，井底附近地层产生裂缝,裂缝延伸,充填支撑剂,停泵后，形成支撑剂支撑的导流裂缝,最后，注入的高粘度压裂液会自动降解排出井筒之外，在
24、油层中留下一条或多条长、宽、高不等的裂缝，使油层与井筒之间建立起一条新的流体通道。,油层水力压裂示意图,水力压裂技术,（3）压裂液根据压裂液的作用不同分类：前置液：破裂地层、造缝；携砂液：携带支撑剂、充填裂缝，同时还具有扩展、延伸裂缝和冷却地层的作用；顶替液：将井筒中的全部携砂液替入裂缝中。,水力压裂技术,（3）压裂液对压裂液的性能要求：滤失少；悬砂能力强：摩阻低：稳定性好：配伍性好 低残渣；易返排；货源广、便于配制、价钱便宜,水力压裂技术,（4）支撑剂支撑剂的作用：支撑已压开的裂缝，使裂缝不再闭合，并使裂缝具有导流能力。对支撑剂的性能要求：粒径均匀；强度大，破碎率小；园度和球度高；杂质含量少；来源广，价廉。支撑剂的种类：天然砂和人工支撑剂,普遍使用的支撑剂是石英砂。,其他措施,高能气体压裂技术水力振荡解堵技术电脉冲井底处理技术超声波井底处理技术人工地震处理油层技术,
